VZNIK ŽIVOTA NA ZEMI

Co je vlastně život? definice: fenotypové evoluční nutná schopnost akumulace hmoty a její organizace do složitějších struktur nutná paměť systému nutný metabolismus definice: fenotypové evoluční Muller (1966): autoreprodukce proměnlivost dědičnost Barton et al. (2007): autoreprodukce a přírodní výběr Problém studia vzniku života: J. Monod: evoluční „kutilství“ (tinkering), vždy krátkodobá výhoda, nebo náhoda, nikdy dlouhodobá perspektiva  hodnocení evoluce ze zpětného pohledu, z hlediska dlouhodobých důsledků  současný život nám při řešení příliš nepomůže kritika ze strany kreacionistů: život nikdo nedokázal vytvořit ve zkumavce

Sol Spiegelman (1970): evoluce RNA Evoluce ve zkumavce: Sol Spiegelman (1970): evoluce RNA RNA (templát) a replikáza bakteriofága Q, nukleotidy Sol Spiegelman

Sol Spiegelman (1970): evoluce RNA Evoluce ve zkumavce: Sol Spiegelman (1970): evoluce RNA RNA (templát) a replikáza bakteriofága Q, nukleotidy  zmenšení velikosti  snížení schopnosti infikovat bakterii E. coli  zvýšení rychlosti replikace  evoluce  „Spiegelmanovo monstrum“: po 74. transferu 5% rozdíl v sekvenci 17% velikost ve srovnání s původní RNA Sol Spiegelman Spiegelmanův experiment nevysvětluje vznik života (existence enzymu) po 4. transferu  snížení infekčnosti

Kdy vznikl život? dolní limit: nejstarší horniny rula v Great Slave Lake (Kanada) – 4 mld. krystaly zirkonu (Austrálie) – 4,3 mld. některé meteority – 4,5 mld. konec bombardování Země –  4 mld. horní limit: mikrofosilie, chemické fosilie rohovec ve Warrawoona Group (Z Austrálie) – 3,5 mld.: podobnost se současnými stromatolity ... dnes zpochybňováno chemické fosilie – kerogen = organická hmota tvořená rozkladem a transformací živých organismů Grónsko: 3.85 mld., potvrzení na základě poměru C12/C13 současné stromatolity Shark Bay, Z Austrálie prekambrické stromatolity Siyeh Formation, Glacier National Park Závěr: život zřejmě vznikl během 200 mil. let mezi 4 a 3,8 mld.

Jak vznikl život? vznik jednoduchých organických molekul chemická evoluce, primitivní metabolismus vznik autoreplikace kompartmentace a vznik buňky vznik genetického kódu přechod na DNA, rozdělení genotypu a fenotypu První chemické experimenty: 1828: chlorid amonný + kyanát stříbrný + teplo  močovina (= Wöhlerova reakce) 50. léta 19. stol.: formamid + H2O + UV, elektřina alanin formaldehyd + NaOH  cukry  důkazy proti vitalismu (tvrdí, že chemie v živých systémech je fundamentálně odlišná od neživých – organická  anorganická)

Jak vznikl život? Alexandr Ivanovič Oparin (1924) J. B. S. Haldane (1928) redukující atmosféra: vodík, voda, metan, čpavek Stanley L. Miller, Harold C. Urey (1953): metan + čpavek + H2 + H2O  10-15% uhlíku ve formě organických sloučenin 2% uhlíku  aminokyseliny, lipidy, cukry stavební součásti nukleových kyselin A.I. Oparin J.B.S. Haldane H.C. Urey S.L. Miller

chlazení a kondenzace plynů „atmosférická“ část: elektrické výboje simulují blesky a dodávají energii chlazení a kondenzace plynů „oceánská“ část: voda se zahříváním odpařuje; přidáván H2, CH2 a NH3 v „oceánu“ vznikají organické sloučeniny

Problémy: podle současných poznatků tehdejší atmosféra méně redukující: CO2, N2, H2O a další  výsledkem reakcí mnohem méně molekul nebyly syntetizovány nukleotidy fosfor v přírodě vzácný některé sloučeniny v minimálním množství některé produkty vysoce nestabilní (např. ribóza: vznik i dalších cukrů, které syntézu ribózy inhibují) omezená produkce dlouhých polymerů vznik D i L stereoizomerů AA a NA samovolný vznik rozvětvených, nikoli lineárních lipidů

Kde vznikl život? Darwin: „hot little pond“, prebiotická polévka S. A. Arrhenius Kde vznikl život? Darwin: „hot little pond“, prebiotická polévka alternativy: extraterestrický původ: panspermie: Svante August Arrhenius existence organických sloučenin ve vesmíru (komety, meteority): např. meteorit z Murchisonu (1969, Austrálie): 4,6 mld.; mnoho sloučenin jako v Millerově-Ureyho experimentu bubliny: oblaka, mořská pěna Thomas Gold (1970): život hluboko pod zemí existence extremofilních archebakterií až 5 km pod povrchem

hlubokomořské vývěry (hydrotermal vents) = “černí kuřáci“ Günter Wächtershäuser místo Slunce tepelná energie chemosyntéza: fixace uhlíku pomocí chemické energie ochrana před UV zářením a dopady meteoritů fixace nestabilních molekul při styku s chladnou vodou v okolí vývěru G. Wächtershäuser 1977: termofilní bakterie a archebakterie, třímetroví rournatci (mnohoštětinatci), mlži, hvězdice, svijonožci, přílipky, krabi, kroužkovci, krevety http://www.amnh.org/nationalcenter/expeditions/blacksmokers/downloads/bsvideo.mov

G. Wächtershäuser: život na povrchu pyritu = hypotéza Fe-S světa G. Wächtershäuser: život na povrchu pyritu = hypotéza Fe-S světa. „prebiotická pizza“ - podobně štěrbiny v jílu na povrchu pyritu shluky molekul [2Fe-2S] nebo [4Fe-4S]  možné prekurzory ferredoxinů, pyridoxalfosfátu, folátů, a kofaktorů (NAD) ústřední role acetyl-CoA chemoautotrofie alternativa: katalyzátorem krystalická voda v tenké vrstvě na povrchu hydrogenovaných nanokrystalů diamantu  snadný vznik organizovaných struktur (i pod vodou) výhody plochého povrchu: - termodynamika: na povrchu nižší entropie - kinetika: vyšší pravděpodobnost srážky molekul - dodávání iontů do reakcí (ne jíl!) - vnik lineárních lipidů - snadnější odstraňování molekul vody

Vznik replikátorů proteiny DNA RNA jiná látka Carl Woese, Francis Crick, Leslie Orgel (1967): dvojí role RNA: dědičnost + enzym = ribozym mnoho funkcí vzniklo velmi dávno RNA jako „molekulární fosilie“ NAD+, FAD = deriváty ribonukleotidu deoxyribonukleotidy vznikají z ribonukleotidů ATP  ribonukleotid F. Crick C. Woese L. Orgel

Známé přirozené ribozymy: Kruger et al. (1982): samosetřih intronu v pre-RNA stejnobrvého nálevníka vejcovky (Tetrahymena) Zaug a Cech (1986): IVS (intervening sequence)  ribozym Doudna a Szostak (1989): modifikace IVS  katalýza syntézy komplementárního řetězce podle vnějšího templátu – max. 40 nukleotidů, pouze 1% kompletních Doudna (1991): ribozym o 3 podjednotkách ze sekvence sunY bakteriofága T4 Známé přirozené ribozymy: peptidyl transferáza 23S rRNA RNáza P introny skupiny I a II GIR branching ribozyme leadzyme vlásenkový ribozym (hairpin ribozyme) hammerhead ribozyme HDV ribozym savčí CPEB3 ribozym VS ribozym glmS ribozym CoTC ribozym Tetrahymena thermophila hammerhead ribozyme

absence složitých opravných mechanismů Vlastnosti RNA: jednodušší než DNA absence složitých opravných mechanismů schopnost vytvářet rozmanité 3D konformace reaktivnější než DNA (OH-skupina na 2´ uhlíku) 3D konformace Alternativy nukleových kyselin: Alexander Graham Cairns-Smith: krystalický jíl jako urgen – původně anorganická replikace Julius Rebek – autoreplikace pomocí AATE (amino adenosin triacid esther) Ronald Breaker (2004): DNA se dokáže chovat jako ribozymy A.G. Cairns-Smith J. Rebek

Problém replikace pomocí ribozymu: Manfred Eigen (1971): při absenci opravných mechanismů je max. velikost replikující se molekuly  100 bp délka genomu kódujícího funkční enzym mnohem vyšší než 100 bp = Eigenův paradox hypercykly: stabilní koexistence 2 a více kooperujících replikátorů kompetice molekul RNA se svými mutantními kopiemi (selekce) kompetice celého systému s jinými cykly možnost „parazitace“ sytému  nutnost kompartmentace problém v replikaci i jiných molekul RNA bez katalytické aktivity  kompartmentace

Kompartmentace: role trhlinek a nerovností na povrchu minerálů proteiny: mikrosféry (Sidney W. Fox) lipidy: samovolný vznik lipozomů spontánní vznik lipidových membrán: „olej na vodě“  „voda v oleji“ semibuňka  protobuňka  buňka

Vznik genetického kódu: Vznik chromozomů: spojení replikátorů  delší replikace možné výhody: - redukce kompetice mezi funkčně spojenými replikátory - produkty funkčně spojených replikátorů na stejném místě Vznik genetického kódu: genetický kód: redundantní  redundance nenáhodná (Ser, Arg, Leu: 6 kodonů  Met, Trp: 1 kodon) chemicky příbuzné AA  podobný kód genetický kód není zdaleka „univerzální“ – výjimky u někt. organismů (např. Mycoplasma) nebo organel (mitochondrie) AA možná původně pomáhaly stabilizovat RNA AA jako enzymatické kofaktory zesilující aktivitu RNA  postupně vznik funkce v translačním systému

tRNA vznikající protein tRNA P místo A místo ribozom mRNA

Existuje mnoho hypotéz vzniku genetického kódu... Role chemických principů, které řídí specifickou interakci RNA s AA: některé AA mají selektivní chem. afinitu vůči příslušnému kodonu. Biosyntetická expanze: původně jednodušší kód – pravěký život „objevil“ nové AA (např. jako vedlejší produkt metabolismu) a později začlenil do svého genetického kódování. ... nepřímé důkazy, že dříve používáno méně odlišných AA než dnes. Přírodní výběr přiřadil kodony tak, aby byly minimalizovány účinky mutací. Původně 4 nebo více míst v kodonu místo 3  vyšší stupeň redundance  vyšší rezistence vůči chybám v době, než začaly být používány ribozomy. Informační kanály: modelování translace jako informačního kanálu náchylného k chybám. Jak odolat chybám (šumu) při zachování přenášené informace? Genetický kód vznikl vzájemnou interakcí 3 protichůdných evolučních sil: potřebou různorodých AA, tolerance vůči chybám a min. nákladů na zdroje. Kód vzniká, když se mapování (zobrazení) na AA stává nenáhodným.

asociace AA a RNA: syntéza proteinu řízená RNA mapování (zobrazení) sekvence RNA na AA vznik tRNA „zamrzlá náhoda“ (frozen accident) – F. Crick (1968) - některé molekuly RNA vyvinuly schopnost přenášet AA na jiné RNA - postupně selekce podporuje jednu nebo několik RNA pro každou AA - asociace AA a RNA náhodná stereochemická teorie: Carl Woese - někt. RNA mají tendenci preferenčně vázat někt. AA

Přechod RNA  DNA: RNA svět: RNA = genotyp i fenotyp se vznikem translace proteiny převzaly většinu katalytických funkcí RNA (mohou vytvářet širší škálu polymerů) - např. žádná molekula RNA nedokáže katalyzovat oxidativně-redukční reakce nebo štěpit C-C vazbu výhody DNA: - nižší reaktivita  vyšší stabilita - dělba práce mezi RNA a DNA - se ztrátou genetické funkce mohla RNA plnit katalytické a strukturní funkce s menšími omezeními

Vznik eukaryotické buňky mikrotubuly mikrofilamenta

Vznik eukaryotické buňky Thomas Cavalier-Smith: ztráta buněčné stěny  nutnost vytvoření endoskeletu  flexibilita, pohyb, fagocytóza vchlipování membrány  ER jaderná membrána: 1. splývání váčků z cytoplazmatické membrány 2. splynutí eubakterie a archebakterie (membrána archebakterie = jaderná, membrána bakterie = buněčná) 3. virový původ ... kontroverzní 4. nejprve vznik 2. cytoplazmatické membrány, z vnitřní postupně jaderná

Vznik eukaryotické buňky Prokaryotní cytoskelet: FtsZ: analog tubulinu, funkce při dělení buňky MreB: analog aktinu, tyčkovitý tvar buňky Crescentin: analog intermediálních mikrofilament, tvorba helixů MinD, ParA: bez analogie, buněčné dělení, rozchod plazmidů

současné poznatky nepotvrzují Původ buněčných organel: Konstantin Sergejevič Merežkovskij (1905, 1909): myšlenka symbiogeneze Lynn Margulisová (1966, 1970): endosymbióza mitochondrie: bakterie příbuzné rickettsiím nebo jiným -proteobakteriím, postupně ztráta fotosyntézy chloroplasty: sinice, postupně ztráta respirace peroxizomy: G+ bakterie mikrotubuly: spirochéty K.S. Merežkovskij současné poznatky nepotvrzují Mixotricha paradoxa spirochéty Lynn Margulisová

Strom života

Strom života ? Archea (Archaebacteria) Eukarya (Eukaryota) Eubacteria   Eubacteria (E. coli) mitochondrie (kráva) chloroplasty (tabák) Archaea (Sulfolobus) Eukaryota (rostliny, houby) ATPáza

Klíčové evoluční přechody: John Maynard Smith a Eörs Szathmáry vznik replikátorů kompartmentace vznik chromozomů vznik genetického kódu, DNA vznik eukaryot vznik pohlaví mnohobuněčnost society vznik jazyka E. Szathmáry konflikt selekce na různých úrovních: kontrola replikace  B chromozomy, transpozice spravedlivá meióza  meiotický tah diferenciace somatických buněk  nádorové bujení nereprodukční kasty  dělnice kladoucí vajíčka

EVOLUCE POHLAVNÍHO ROZMNOŽOVÁNÍ sex = meióza, rekombinace většina asexuálních linií vznikla recentně ze sexuálních; např. Taraxacum officinale: nefunkční tyčinky, barevné květy fylogenetická pozice asexuálních taxonů: většinou mladé linie taxony roztroušené výjimky: viřníci nadřádu Bdelloidea - fosilie v jantaru 35-40 mil. - existence ca. 100 mil. Philodina roseola Macrotrachela quadricornifera

Nevýhody pohlavního rozmnožování: čas a energie k nalezení partnera (může být problém ho najít), další úsilí před kopulací zvýšené riziko predace nebo parazitace, přenos pohlavních chorob náchylnost k extinkci při nízkých Ne nižší schopnost kolonizace složitý meiotický molekulární aparát meióza: 10-100 h  mitóza: 15 min – 4 h rozpad výhodných kombinací alel rekombinací dopady pohlavního výběru na samce  snížení fitness populace akce sobeckých elementů (konflikt genů)  snížení fitness populace

asexuálové produkují 2 více vnuček J. Maynard Smith: Jaký je osud sexuální a asexuální populace? předpoklady: způsob rozmnožování nemá vliv 1. na počet potomstva (např. samčí péče o potomstvo) 2. na pravděpodobnost přežití potomstva F  M  F  M F  M   F F F F F     1/3 1/2 2/3 frekvence asexuálů asexuálové produkují 2 více vnuček  dvojnásobná penalizace za pohlaví (cost of sex), tj. 50% selektivní nevýhoda sexuality

zpočátku převaha „asexuálů“, nakonec fixace pohlavně se rozmnožujících ad 2) vliv prostředí experiment s Tribolium castaneum: kompetice, insekticid, reprodukční výhoda „asexuálů“ 0.5 1.0 1 ppm 3 ppm 5 ppm 10 ppm konc. malathionu sexuální simulace asexuality zpočátku převaha „asexuálů“, nakonec fixace pohlavně se rozmnožujících rychleji při  koncentracích insekticidu potomci sexuálních jedinců mají vyšší fitness  předpoklad 2 neplatí

účinky rekombinace: 1 lokus  max. 2 varianty (heterozygot) 2 lokusy  4 varianty: AB/ab  ab, aB, Ab, AB 10 lokusů  210 = 1024 různých gamet a 2n-1(2n+1) = 524 800 diploidních genotypů z hlediska populační genetiky jediným důsledkem sexu je vazbová rovnováha - jakmile je jí dosaženo, sex ztrácí smysl každý model vysvětlující výhody sexu musí obsahovat mechanismus, který eliminuje některé kombinace genů (vzniká vazbová nerovnováha = LD), a vysvětlit, proč geny způsobující LD podporovány selekcí

samo o sobě nepodporuje sex  nutná fluktuace epistáze Fluktuace prostředí: samo o sobě nepodporuje sex  nutná fluktuace epistáze např. 2 lokusy: střídání asociace studený-vlhký a teplý-suchý  studený-suchý a teplý-vlhký tento model může fungovat např. v interakci parazit-hostitel Zvýšení aditivní variance: interakce mezi usměrňující selekcí a negativní LD např. alely „+“ zvyšují fitness, „-“ snižují fitness negativní LD: asociace +- nebo -+  redukce fitness  rekombinace fitness zvyšuje rekombinace zvyšuje fitness rekombinace snižuje fitness

Z uvedeného plyne, že pohlavní rozmnožování zvyšuje variabilitu a tím i evoluční rychlost ale tato výhoda většinou v dlouhodobé perspektivě, asexualita krátkodobě výhodnější Fisherův-Mullerův argument: rekombinace v asexuální populaci může být výhodná alela B fixována pouze vznikne-li v genomu s alelou A zvýšení frekvence modifikátorové alely M, která způsobuje sex a rekombinaci („hitchhiking“)

Modely vzniku pohlavního rozmnožování: škodlivé mutace proměnlivé prostředí Škodlivé mutace Jediným způsobem, jak uniknout škodlivým mutacím jsou buď - zpětné mutace, nebo - mutace, rušící vliv mutace předchozí Mullerova rohatka Kondrašovův model

Mullerova rohatka (Muller’s ratchet): akumulace škodlivých mutací malá velikost populace  role driftu (stochastický proces) při sexu možnost vyhnout se „západce“ šíření genů odpovědných za sex s tím, jak roste frekvence genotypů bez škodlivých mutací nejlépe mírně škodlivé mutace 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Frekvence Počet mutací „západka“

Andersson a Hughes (1996) - Salmonella typhimurium 444 experimentálních kultur, každá z 1 jedince  růst přes noc opakování  opakovaný drift, celkem 1700 generací srovnání s volně žijícím kmenem  5 kultur (1%) se signifikantně sníženou fitness, žádná s vyšší Lambert a Moran (1998) - srovnání fitness bakterií v buňkách hmyzu s volně žijícími druhy 9 druhů bakterií žijících pouze v buňkách hmyzu každý druh má volně žijícího blízkého příbuzného akumulovali endosymbionti škodlivé mutace? termální stabilita rRNA genů  ve všech případech rRNA endosymbiontů o 15 až 25% méně stabilní

deterministický proces Kondrashovův model: Alexey S. Kondrashov (1988) předpoklad, že škodlivé mutace působí synergicky př.: „truncation selection“ deterministický proces protože u sexuálů je podíl škodlivých mutací přesahujících hodnotu T vyšší než u asexuálů, je u nich eliminace těchto mutací rychlejší (rekominace je dostává dohromady) otázka, zda frekvence škodlivých mutací dostatečně vysoká (alespoň 1/generaci/genom) prahová hodnota T 1 2 3 4 5 6 T Fitness a) Frekvence Pohlavní b) Nepohlavní c)

Proměnlivé prostředí Model loterie („lotery“, „elm-oyster“): biotop rozdělený na lokální místa, do kterých náhodně „distribuováni“ potomci  jen nejlépe adaptovaní přežijí, rodič nemůže předpokládat, který z nich to bude analogie s koupí losu Model vlastního pokoje („elbow room“): předpoklad, že v heterogenním i homogenním biotopu se genotypy mohou lišit ve využití omezených zdrojů kompetice mezi sourozenci  na lokalitě se může udržet více potomků sexuálních rodičů, protože asexuální potomstvo kompetuje intenzivněji problém: modely omezené pouze na organismy s vysokou fekunditou

Hypotéza Červené královny: William D. Hamilton základem hypotéza Červené královny (Leigh Van Valen) L. Van Valen W.D. Hamilton

Hypotéza Červené královny: William D. Hamilton základem hypotéza Červené královny (Leigh Van Valen) cykly fitness a cykly genových frekvencí L. Van Valen W.D. Hamilton Populace hostitele Rezistence vůči parazitovi s genotypem I s genotypem II Populace hostitele Rezistence vůči parazitovi s genotypem I s genotypem II Populace hostitele Rezistence vůči parazitovi s genotypem I s genotypem II I II Populace parazita I II I II

Hypotéza Červené královny: William D. Hamilton základem hypotéza Červené královny (Leigh Van Valen) cykly fitness a cykly genových frekvencí koevoluce parazita a hostitele  závody ve zbrojení („arms races“) multilokusový vztah „gene-for-gene“ oscilace genových frekvencí vyšší u asexuálních jedinců L. Van Valen W.D. Hamilton asexuální sexuální

 korelace s počtem parazitů předpoklad modelu: u heterogonních organismů (střídání sexuálního a asexuálního rozmnožování) sexualita častější při zvýšení parazitace Curtis Lively (1992): sladkovodní plž Potamopyrgus antipodarum - jezera a vodní toky na Novém Zélandu, sexuální i asexuální samice 12 parazitických druhů motolic (kastrace hostitele  silná selekce) 66 jezer počet samců jako ukazatel pohlavního rozmnožování Frekvence samců 0.00 0.01 0.05 0.10 0.15 0.20 0.30 0.40 Počet parazitů  korelace s počtem parazitů

EVOLUCE POMĚRU POHLAVÍ poměr pohlaví často 1:1  proč plýtvání na samce? R. A. Fisher (1930) frekvenčně závislá selekce podmínka platnosti Fisherova argumentu: stejná pravděpodobnost páření s kteroukoli samicí stejné náklady na obě pohlaví

Místní rozmnožovací kompetice: parazitické vosy (např. Nasonia vitripennis) roztoči Adactylidium, Pyemotes ventricosus, Acarophenax tribolii Nasonia vitripennis Pyemotes ventricosus

teoretická predikce: s rostoucím počtem kladoucích samic roste počet synů

synové dominantních matek mají vyšší fitness Triversova-Willardova hypotéza: Robert L. Trivers, Dan Willard investice do pohlaví, které zajistí vyšší fitness v další generaci dominantní matka  investice do synů a naopak posun poměru pohlaví nebo rozdílné rodičovské investice např. jelenovití R.L. Trivers D. Willard synové dominantních matek mají vyšší fitness